一种金属锌负极及其制备方法和水系锌离子电池技术

本发明专利技术提供了一种金属锌负极及其制备方法和水系锌离子电池，属于电极材料技术领域。本发明专利技术提供的金属锌负极包括金属锌片和包覆在所述金属锌片表面的改性聚丙烯腈涂层，所述改性聚丙烯腈涂层中改性聚丙烯腈由聚丙烯腈经预氧化处理得到，所述预氧化处理的温度为150～500℃。本发明专利技术将聚丙烯腈在150～500℃条件下进行预氧化处理，所得改性聚丙烯腈的表面具有丰富的极性键，如N‑H键，这些极性键能引导锌离子均匀沉积从而抑制枝晶生长，基于所述改性聚丙烯腈形成的有机涂层，能够保护锌负极不受电解液腐蚀。

【技术实现步骤摘要】
一种金属锌负极及其制备方法和水系锌离子电池
本专利技术涉及电极材料
，尤其涉及一种金属锌负极及其制备方法和水系锌离子电池。
技术介绍
在储能领域，锂离子电池是目前技术最成熟、实际应用最多的电池体系，但是由于其储量有限、价格昂贵、安全性能差等缺陷，研究可以替代锂离子电池的电池体系成为了必然趋势。水系锌离子电池因具有安全经济、无毒、高离子导电率、较高的氧化还原电位(-0.763Vv.s.标准氢电极)和理论容量(820mAh·g-1和5854mAh·cm-3)的绝对优势而成为下一代储能电池的有利竞选者。但是金属锌负极由于枝晶生长严重以及腐蚀钝化导致电池循环性能差、库伦效率低的问题，限制了水系锌离子电池的进一步发展。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种金属锌负极及其制备方法和水系锌离子电池，本专利技术提供的金属锌负极可以解决金属锌枝晶生长以及腐蚀问题，能够提高水系锌离子电池的循环性能以及库伦效率。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种金属锌负极，包括金属锌片和包覆在所述金属锌片表面的改性聚丙烯腈涂层；所述改性聚丙烯腈涂层中改性聚丙烯腈由聚丙烯腈经预氧化处理得到，所述预氧化处理的温度为150～500℃。优选地，所述预氧化处理在空气氛围中进行。优选地，升温至所述预氧化处理的温度的升温速率为1.8～2.2℃/min。优选地，以升温至预氧化处理的温度开始计，所述预氧化处理的保温时间为25～35min。优选地，所述改性聚丙烯腈的平均粒度为140～160μm。优选地，所述改性聚丙烯腈涂层由浆料形成，所述浆料包括改性聚丙烯腈、聚偏氟乙烯和有机溶剂，所述浆料中改性聚丙烯腈和聚偏氟乙烯的质量比为7：1，所述浆料中有机溶剂的含量为45～50wt％。优选地，所述改性聚丙烯腈涂层的厚度为20～30μm。本专利技术提供了上述技术方案所述金属锌负极的制备方法，包括以下步骤：在金属锌片的表面制备改性聚丙烯腈涂层，得到金属锌负极。本专利技术提供了一种水系锌离子电池，以上述技术方案所述金属锌负极或上述技术方案所述制备方法制备得到的金属锌负极为负极。优选地，所述水系锌离子电池的电解液为ZnSO4水溶液，所述电解液中ZnSO4的浓度为2mol/L。本专利技术提供了一种金属锌负极，包括金属锌片和包覆在所述金属锌片表面的改性聚丙烯腈涂层，所述改性聚丙烯腈涂层中改性聚丙烯腈由聚丙烯腈经预氧化处理得到，所述预氧化处理的温度为150～500℃。本专利技术将聚丙烯腈在150～500℃条件下进行预氧化处理，所得改性聚丙烯腈的表面具有丰富的极性键，如N-H键，这些极性键能引导锌离子均匀沉积从而抑制枝晶生长，基于所述改性聚丙烯腈形成的有机涂层，能够保护锌负极不受电解液腐蚀。附图说明图1为基于实施例1以及对比例1中锌电极片的电池的循环性能图；图2为基于实施例1以及对比例2～3中锌电极片的电池的循环性能图；图3为基于裸锌以及实施例1中锌电极片的电池的循环性能图；图4为基于裸锌以及参照实施例1方法制备所得钛电极片的电池的库仑效率图；图5为实施例1中锌电极片的截面SEM图(标尺为100μm)；图6为实施例1中锌电极片在进行循环实验前的SEM图(标尺为30μm)；图7为实施例1中锌电极片在循环400圈后的SEM图(标尺为5μm)；图8为实施例1中锌电极片在循环400圈后的SEM图(标尺为1μm)；图9为裸锌在循环80圈后的SEM图(标尺为5μm)；图10为裸锌在循环80圈后的SEM图(标尺为2μm)；图11为实施例1中改性PAN的红外光谱图；图12为PAN以及实施例1中改性PAN的红外光谱对比图；图13为实施例1中锌电极片在硫酸锌溶液中腐蚀后以及裸锌在硫酸锌溶液中腐蚀前后的XRD图。具体实施方式本专利技术提供了一种金属锌负极，包括金属锌片和包覆在所述金属锌片表面的改性聚丙烯腈涂层；所述改性聚丙烯腈涂层中改性聚丙烯腈由聚丙烯腈经预氧化处理得到，所述预氧化处理的温度为150～500℃。本专利技术提供的金属锌负极包括金属锌片，本专利技术对所述金属锌片没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的金属锌片即可；在本专利技术的实施例中，所述金属锌片的厚度优选为0.200mm(所述金属锌片在使用前优选进行打磨，打磨后金属锌片的厚度优选为0.195mm，后续会详细说明)。本专利技术提供的金属锌负极包括包覆在所述金属锌片表面的改性聚丙烯腈涂层，所述改性聚丙烯腈涂层的厚度优选为20～30μm，更优选为25μm。本专利技术优选将改性聚丙烯腈涂层的厚度设置在上述范围内，在防止金属锌被腐蚀的基础上，有利于保证锌离子具有较快的传输效率。在本专利技术中，所述改性聚丙烯腈涂层由浆料形成，所述浆料优选包括改性聚丙烯腈、聚偏氟乙烯(PVDF)和有机溶剂；所述有机溶剂优选为N-甲基吡咯烷酮。在本专利技术中，所述浆料中改性聚丙烯腈和聚偏氟乙烯的质量比优选为7：1；所述浆料中有机溶剂的含量优选为45～50wt％。本专利技术优选通过控制浆料中各组分在上述范围内，有利于得到粘度适中的浆料；而且本专利技术将改性聚丙烯腈和PVDF的质量比控制在7：1，在保证粘附效果的同时能够避免PVDF对改性聚丙烯腈造成不良影响，具体的，当PVDF添加量过少时，改性聚丙烯腈涂层粘结的不够稳固，当PVDF添加量过多时，PVDF本身所含有的C-F键相对于改性聚丙烯腈的N-H键来说是一种杂质，会对电池的性能(如过电势和循环时长)产生不良影响。在本专利技术中，所述改性聚丙烯腈涂层中改性聚丙烯腈由聚丙烯腈经预氧化处理得到。在本专利技术中，所述聚丙烯腈(PAN，分子式为(C3H3N)n)的数均分子量优选为150000。在本专利技术中，所述预氧化处理的温度为150～500℃，优选为200～350℃，更优选为280℃。本专利技术在上述温度范围内对聚丙烯腈进行预氧化处理，聚丙烯腈中的C≡N键断裂成C-N键，同时生成N-H键，增加了材料的极性和亲水性能，能够引导锌离子均匀沉积从而抑制枝晶生长，基于所述改性聚丙烯腈形成的有机涂层，能够保护锌负极不受电解液腐蚀，更适用于水系电池体系；如果预氧化处理温度过低，C≡N键断裂不完全，抑制枝晶生长效果不明显，如果预氧化处理温度过高，N-H键不稳定会被破坏，同时体系中基团会发生环化甚至更为复杂的反应，起不到增强极性的作用，不适合作为锌负极保护材料。此外，原材料PAN来源广泛、安全无毒、价格经济，将其进行预氧化处理后对金属锌进行修饰，以提高水系锌离子电池的循环性能以及库伦效率，成本较低。在本专利技术中，升温至所述预氧化处理的温度的升温速率优选为1.8～2.2℃/min，更优选为2℃/min；具体是从室温升温至预氧化处理的温度，在本专利技术的实施例中，室温具体为25℃。在本专利技术中，以升温至预氧化处理的温度开始计，所述预氧化处理的保温时间优选为25～35min，更优选为30min。在本专利技术中，所述预氧化处理优选在空气氛围中进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属锌负极，包括金属锌片和包覆在所述金属锌片表面的改性聚丙烯腈涂层；所述改性聚丙烯腈涂层中改性聚丙烯腈由聚丙烯腈经预氧化处理得到，所述预氧化处理的温度为150～500℃。/n

【技术特征摘要】
1.一种金属锌负极，包括金属锌片和包覆在所述金属锌片表面的改性聚丙烯腈涂层；所述改性聚丙烯腈涂层中改性聚丙烯腈由聚丙烯腈经预氧化处理得到，所述预氧化处理的温度为150～500℃。


2.根据权利要求1所述的金属锌负极，其特征在于，所述预氧化处理在空气氛围中进行。


3.根据权利要求1所述的金属锌负极，其特征在于，升温至所述预氧化处理的温度的升温速率为1.8～2.2℃/min。


4.根据权利要求3所述的金属锌负极，其特征在于，以升温至预氧化处理的温度开始计，所述预氧化处理的保温时间为25～35min。


5.根据权利要求1所述的金属锌负极，其特征在于，所述改性聚丙烯腈的平均粒度为140～160μm。


6.根据权利要求1所述的金属锌负极，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏英进，杨贺捷，赵海南，陈岗，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22